跟着动画学习 GO 数据结构之 Go 链表-摩杜云开发者社区

我们知道 Go 的数组和切片非常方便对数据进行访问，但是假如我们有一个长度为 5 的数组 [1, 2, 3, 4, 5]，想要往其中 3 和 4 之间插入一个元素 6，就往往不是非常容易了。为啥呢？

一般解决的方法是首先创建一个长度大于 5 的新数组，因为这个数组的长度首先要能存储旧数组的数组，同时能有多余的位置存储新增加的元素 6。

这其中有个操作会很费时，就是复制操作：需要把原来数组中的数据复制到新的内存空间。

因此，我们有一个更合适的数据结构叫做链表。

链表

链表由一系列节点构成，每个节点就是一个记录。链表是一种递归的数据结构，它要么为空（null），或者是指向一个节点的引用，英文叫 Linked List。通常由许多的元素构成，这些元素也叫节点（node），节点由两部分构成：数据域和指针域。

数据域：数据域用来存储数据，可以存储基本数据类型如整型，也可以存储其他复杂数据类型。
指针域：指针域部分用来存储链表中下一个元素的地址。

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节点的 UML 图

节点的代码表示：

type Node struct {
  data int
  next *Node
}

链表的类型

链表有很多种类型，其主要的区别是节点引用方式的区别：单向、双向、首尾连接。

单链表

单链表就是单向的，

每一个节点都有一个指向下一个节点的引用，除了最后一个节点。节点的引用部分包含下一个节点的地址。最后一个节点的引用部分包含值 null。

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双链表

双链表是双向的，双链表中的节点同时引用了链表中的上一个和下一个节点。

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现实生活中一个双链表的地址就是我们的地铁的某条线路，每条线路都有一个来回，而每一个站点就是一个节点：

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环形链表

这种类型类似于单向链表，只是最后一个元素引用了链表的第一个节点。最后一个节点的链接部分包含第一个节点的地址。

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Head：Head 是一个引用，保存着链表中第一个节点的地址。
节点：链表中的项目称为节点。
值：链表的每个节点中存储的数据。
引用：节点的链接部分用于存储其他节点的引用。我们将使用“next”和“prev”来存储下一个或上一个节点的地址。

单链表的操作

链表的操作也不外乎于增删改查，再加上一些特定的操作。链表是一种动态的数据结构，数据结构栈和队列都可以用链表实现的。链表的创建、添加和删除操作很容易；当元素被动态添加时，会消耗更多的内存，因为动态数据结构并不固定。

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遍历：像数据那样随机检索在单链表中是不可能的，因为需要遍历节点来寻找一个定位的节点。
增加：插入单链表可以在列表的开头或结尾，以及指定节点之后。（头插、尾插、指定位置插入）
删除：删除可以发生在列表的开始或结束处，以及在一个指定的节点之后。
判空：判断一个链表是否为空
获取链表长度
查找是否包含指定值
反转：面试高频题

创建单链表

定义链表的结构体：

链表的节点包含一个指向下一个节点的指针，每一个节点都保存一个数据域。

通常的做法是把数据域定义为接口 interface{}：

type Node struct {
  data interface{} // 数据域: 链表不要求全为相同的类型，所以利用一个接口在存储数据
  next *Node // 指针域：指向下一个节点
}

链表通常由头节点（指向第一个节点的指针）和它的长度组成。长度域 size 存储了链表的长度，头结点 headNode 存储了链表头结点或者第一个节点（首元节点）的内存地址：

// define a ListNode in a singly linked list
type LinkedList struct {
  headNode *Node // 头节点
  size int // 存储链表的长度
}

创建一个单链表：

func CreateLinkList() *LinkedList {
  // 创建一个空的头节点
  node := new(Node)
  l := new(LinkedList)
  l.headNode = node
  return l
}

链表的长度

// 返回链表的长度
func (linkedList *LinkedList) Length() int {
  return linkedList.Count()
}

func (linkedList *LinkedList) Count() int {
  size := 0
  currNode := linkedList.headNode
  for currNode != nil {
    size++
    currNode = currNode.next
  }
  return size
}

链表判空

func (linkedList *LinkedList) isNull() bool {
  return linkedList.size == 0
}

插入元素

头插

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中间插入

图解：

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函数如下：

// Insert adds an item at position i
func (linkedList *LinkedList) Insert(pos int, v interface{}) {
  // 先检查待插入的位置是否正确
  if pos < 1 || pos > linkedList.size+1 {
    fmt.Println("Index out of bounds")
  }
  newNode := &Node{data: v}
  var prev, current *Node
  prev = nil
  current = linkedList.headNode
  for pos > 1 {
    prev = current
    current = current.next
    pos = pos - 1
  }
  if prev != nil {
    prev.next = newNode
    newNode.next = current
  } else {
    newNode.next = current
    linkedList.headNode = newNode
  }
  linkedList.size++
}

尾插

图解：

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函数如下：

func (linkedList *LinkedList) Append(v interface{}) {
  node := &Node{data: v}
  if linkedList.isNull() {
    linkedList.headNode = node
  } else {
    currNode := linkedList.headNode
    for currNode.next != nil {
      currNode = currNode.next
    }
    currNode.next = node
  }
  linkedList.size++
}

遍历元素

假设 head 指针指向链表的第一个节点，为了遍历整个链表，我们需要进行如下几步操作：

跟随每个指针
随着每次遍历，记录下每个节点的数据（或者 count 计数）
当最后一个指针为空 nil时，停止遍历

图解如下：

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函数如下：

func (linkedList *LinkedList) Traverse() {
  if linkedList.isNull() {
    fmt.Println("The LinkedList is empty")
  }
  currNode := linkedList.headNode
  for currNode != nil {
    fmt.Printf("%v -> ", currNode.data)
    currNode = currNode.next
  }
  fmt.Println()
}

删除元素

头部删除

图解

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函数如下：

func (linkedList *LinkedList) DeleteFirst() interface{} {
  if linkedList.isNull() {
    fmt.Println("deleteFirst: List is empty")
  }
  data := linkedList.headNode.data
  linkedList.headNode = linkedList.headNode.next
  linkedList.size--
  return data
}

中间删除

图解：

跟着动画学习 GO 数据结构之 Go 链表

函数如下：

func (linkedList *LinkedList) Delete(pos int) interface{} {

  if pos < 1 || pos > linkedList.size+1 {
    fmt.Println("delete: Index out of bounds")
  }
  var prev, current *Node
  prev = nil
  current = linkedList.headNode
  p := 0
  if pos == 1 {
    linkedList.headNode = linkedList.headNode.next
  } else {
    for p != pos-1 {
      p = p + 1
      prev = current
      current = current.next
    }
    if current != nil {
      prev.next = current.next
    }
  }
  linkedList.size--
  return current.data
}

尾部删除

图解：

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函数如下：

func (linkedList *LinkedList) DeleteLast() interface{} {
  if linkedList.isNull() {
    fmt.Println("deleteLast: List is empty")
  }

  var prev *Node
  current := linkedList.headNode
  for current.next != nil {
    prev = current
    current = current.next
  }
  if prev != nil {
    prev.next = nil
  } else {
    linkedList.headNode = nil
  }
  linkedList.size--
  return current.data
}

总结

好了有了上述函数，我们可以汇总到一起来检验我们的函数是否正确，创建一个 main.go 文件：

package main

import "fmt"

type Node struct {
    data interface{}
    next *Node
}

type LinkedList struct {
    headNode *Node // 头节点
    size     int   // 存储链表的长度
}

func CreateLinkList() *LinkedList {
    // 创建一个空的头节点
    node := new(Node)
    l := new(LinkedList)
    l.headNode = node
    return l
}

// 返回链表的长度
func (linkedList *LinkedList) Length() int {
    return linkedList.Count()
}

func (linkedList *LinkedList) Count() int {
    size := 0
    currNode := linkedList.headNode
    for currNode != nil {
        size++
        currNode = currNode.next
    }
    return size
}

func (linkedList *LinkedList) isNull() bool {
    return linkedList.size == 0
}

func (linkedList *LinkedList) Traverse() {
    if linkedList.isNull() {
        fmt.Println("The LinkedList is empty")
    }
    currNode := linkedList.headNode
    for currNode != nil {
        fmt.Printf("%v -> ", currNode.data)
        currNode = currNode.next
    }
    fmt.Println()
    return
}

func (linkedList *LinkedList) InsertHead(v interface{}) {
    node := &Node{data: v}
    if linkedList.isNull() {
        linkedList.headNode = node
        linkedList.size++
        return
    } else {
        node.next = linkedList.headNode
        linkedList.headNode = node
    }
    linkedList.size++
    return
}

func (linkedList *LinkedList) Append(v interface{}) {
    node := &Node{data: v}
    if linkedList.isNull() {
        linkedList.headNode = node
    } else {
        currNode := linkedList.headNode
        for currNode.next != nil {
            currNode = currNode.next
        }
        currNode.next = node
    }
    linkedList.size++
}

// Insert adds an item at position i
func (linkedList *LinkedList) Insert(pos int, v interface{}) {
    // 先检查待插入的位置是否正确
    if pos < 1 || pos > linkedList.size+1 {
        fmt.Println("Index out of bounds")
    }
    newNode := &Node{data: v}
    var prev, current *Node
    prev = nil
    current = linkedList.headNode
    for pos > 1 {
        prev = current
        current = current.next
        pos = pos - 1
    }
    if prev != nil {
        prev.next = newNode
        newNode.next = current
    } else {
        newNode.next = current
        linkedList.headNode = newNode
    }
    linkedList.size++
}

func (linkedList *LinkedList) DeleteFirst() interface{} {
    if linkedList.isNull() {
        fmt.Println("deleteFirst: List is empty")
    }
    data := linkedList.headNode.data
    linkedList.headNode = linkedList.headNode.next
    linkedList.size--
    return data
}

func (linkedList *LinkedList) DeleteLast() interface{} {
    if linkedList.isNull() {
        fmt.Println("deleteLast: List is empty")
    }

    var prev *Node
    current := linkedList.headNode
    for current.next != nil {
        prev = current
        current = current.next
    }
    if prev != nil {
        prev.next = nil
    } else {
        linkedList.headNode = nil
    }
    linkedList.size--
    return current.data
}

func (linkedList *LinkedList) Delete(pos int) interface{} {

    if pos < 1 || pos > linkedList.size+1 {
        fmt.Println("delete: Index out of bounds")
    }
    var prev, current *Node
    prev = nil
    current = linkedList.headNode
    p := 0
    if pos == 1 {
        linkedList.headNode = linkedList.headNode.next
    } else {
        for p != pos-1 {
            p = p + 1
            prev = current
            current = current.next
        }
        if current != nil {
            prev.next = current.next
        }
    }
    linkedList.size--
    return current.data
}

func main() {
    linkedList := CreateLinkList()
    fmt.Println("初始化创建一个链表，是否为空：", linkedList.isNull())
    nums := []int{1, 2, 3, 4, 5}
    for i := range nums {
        linkedList.Append(nums[i])
    }

    fmt.Println("****************尾部插入[1,2,3,4,5]****************")
    linkedList.Traverse()

    fmt.Print("链表的长度为：")
    fmt.Println(linkedList.Length())

    fmt.Println("****************往头部插入6****************")
    linkedList.InsertHead(6)
    linkedList.Traverse()

    fmt.Println("****************第二个位置插入2022****************")
    linkedList.Insert(2, 2022)
    linkedList.Traverse()

    fmt.Println("****************删除最后一个元素****************")
    last := linkedList.DeleteLast()
    fmt.Println("删除最后一个元素为：", last)

    fmt.Println("****************删除第一个元素****************")
    first := linkedList.DeleteFirst()
    fmt.Println("删除第一个元素为：", first)

    fmt.Println("****************删除位置1的元素****************")
    deleteData := linkedList.Delete(1)
    fmt.Println("删除位置1的元素为:", deleteData)

    fmt.Println("****************最后的链表为：")
    linkedList.Traverse()
}

运行这个方法的结果为：

初始化创建一个链表，是否为空： true
****************尾部插入[1,2,3,4,5]****************
1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5 -> 
链表的长度为：5
****************往头部插入6****************
6 -> 1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5 -> 
****************第二个位置插入2022****************
6 -> 2022 -> 1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5 -> 
****************删除最后一个元素****************
删除最后一个元素为： 5
****************删除第一个元素****************
删除第一个元素为： 6
****************删除位置1的元素****************
删除位置1的元素为: 2022
****************最后的链表为：
1 -> 2 -> 3 -> 4 ->

至此，我们把基本操作做完成了，为了避免文章过于繁琐，决定把查找的操作放到链表的相关算法问题中再作说明。下一篇文章见！